Nature Protocols | 浙江大学唐龙华团队介绍了用于制造简单的、基于纳米管的隧道探针，适用于测量单蛋白电导

研究单个蛋白质的电学性质是生物电子学领域的一个重要研究领域。电子隧道或量子机械隧道(QMT)探针可以作为研究蛋白质电学性质的有力工具。然而，目前这些探针的制造方法通常具有有限的可重复性、不可靠的接触或蛋白质与电极的结合不足。

2023年7月7日，浙江大学唐龙华团队在Nature Protocols 在线发表题为“Fabrication of electron tunneling probes for measuring single-protein conductance”的研究论文，该研究详细介绍了一套通用和直接的说明，用于制造简单的、基于纳米管的隧道探针，适用于测量单蛋白电导。该研究中的QMT探针基于高纵横比双通道纳米管，该探针集成了一对间隙小于5 nm的金隧道电极，通过热解沉积碳和电化学沉积金来制造。金隧道电极可以使用广泛的可用表面修饰库进行功能化，以实现单蛋白电极接触。

该研究使用生物素化硫醇修饰，其中生物素-链亲和素-生物素桥被用来形成单蛋白连接。由此产生的蛋白质偶联QMT探针能够在溶液中对相同的单个蛋白质进行长达数小时的稳定电测量。作者还描述了用于解释随时间变化的单蛋白电导测量的分析方法，这可以为理解电子传递和探索蛋白质动力学提供必要的信息。完成该指南所需的总时间约为33小时，经过培训的用户可以在不到24小时内完成。

将蛋白质整合到纳米级器件中是生物电子学领域中一个不断发展的领域，为研究蛋白质介导的电荷传输机制等天然生物过程提供了极好的机会。目前与基于蛋白质的生物电子学相关的研究主要集中在以下几个方面：电子器件的可控制造，蛋白质分子与具有稳定化学接触的电探针之间的有效界面，基于蛋白质的电路的可靠的长期测量，以及与蛋白质功能的电信息的相关性。在各种基于蛋白质的生物电子器件中，隧道探针因其优异的时空分辨率和极高的电流灵敏度而成为最合适的器件之一。

该研究使用SEM、TEM和STEM-EDS来表征QMT探针。SEM从顶部和侧面视图观察QMT探头在不同制造阶段的整体结构。使用TEM观察形成的隧道电极的结构，可以看出存在间隙小于5nm的隧道电极。采用STEM–EDS观察QMT探针在不同生产阶段的元素分布，以验证实验效果。热解沉积后，可以在纳米移液管桶中看到碳电极。从所得的QMT探针中可以看出，纳米移液器尖端有金电极。

蛋白质-QMT偶联探针示意图（图源自Nature Protocols ）

QMT探针可用于检测不同的蛋白质分子。作者使用一组具有不同分子量和电荷的蛋白质作为分析靶标，包括SA、BSA和免疫球蛋白G（IgG）。对于不同的蛋白质，可以观察到相应的隧穿电特性信号。每种蛋白质类型产生对应于特定峰电导(ΔG)的电流瞬变。在0.1 V偏置时，SA的ΔG为1.56±0.19 nS，BSA的ΔG为1.11±0.21 nS，ΔG的IgG为0.52±0.08 nS。

综上，该研究报告了一种简单的方案，用于制造隧道探针来测量单个蛋白质。该探针由一对纳米电极组成，它们被一个小于5 nm的不导电间隙分开。当施加偏置电压时，电子可以通过电极间隙隧穿。被困在这个间隙内的蛋白质分析物可以通过监测穿过蛋白质连接处的隧道电流的变化来研究，这种变化表现为波动的电报噪声。对这种电报噪声进行统计分析，可以研究蛋白质的电子传递，在某些情况下，还可以提取与构象变化有关的信息。此外，单蛋白分子连接可以通过生物素修饰表面并使用链亲和素(SA)连接电极来形成。这使得对蛋白质进行单分子、随时间变化的电测量长达几个小时成为可能。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41596-023-00846-3

转自：“iNature”微信公众号

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